复旦大学仰大勇教授课题组Nat Protoc、JACS、Angew、AM 连发！

导读

面向生命健康的重大需求，发展结构功能精准可控、生物活性可智能调控的新型材料是国际生物医用材料的前沿研究领域。脱氧核糖核酸（DNA）作为天然生物功能高分子，凭借其卓越的序列可编程性、精准分子识别能力及动态响应特性，成为构建智能功能材料的理想分子基元。由此创制的DNA功能材料兼具优异生物相容性、可降解性和分子识别能力，同时保留DNA的生物学活性，在疾病诊断与治疗领域展现出巨大潜力。聚焦核酸功能材料组装与生物应用的关键挑战，复旦大学化学系仰大勇教授课题组（DNA Plus Lab）近期在核酸化学与功能材料交叉领域取得系列进展，相关成果相继发表于Nature Protocols、Journal of the American Chemica Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊，推动了DNA智能材料在精准医学中的应用。

团队在Nature Protocols期刊发表了题为“Hybridization chain reaction-based DNA nanoframeworks for biosensing and therapeutic applications”的研究成果（DOI: 10.1038/s41596-025-01183-3），提出了基于杂交链式反应（HCR）的DNA纳米框架的通用构建策略。文章系统阐述了基于HCR构建DNA纳米框架的分子设计原则、合成策略及其在生物传感与疾病治疗中的应用，为精准医学提供了坚实的材料化学基础。

团队发展了一种基于DNA纳米框架的智能佐剂系统，实现了树突状细胞高效免疫激活，相关成果发表于Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.5c00481）。该研究利用DNA纳米框架同时高效共负载响应模块（富胞嘧啶序列）与佐剂模块（CpG ODNs）。该系统被细胞摄取后进入酸性溶酶体环境（pH ~ 5.0），富胞嘧啶序列发生质子化并驱动分子间形成i-motif结构，进而诱导纳米框架动态组装成微米级聚集体。该组装过程一方面通过消耗溶酶体腔内H⁺离子显著提升局部pH值（降低酸度），从而削弱酸性水解酶活性，保护CpG ODNs免于降解；另一方面，形成的聚集体有效拉近CpG ODNs与溶酶体膜上TLR9受体的空间距离，并促进TLR9的高效簇集。通过该DNA纳米材料的原位动态组装及其对TLR9分布与活化的精准调控策略，显著增强了CpG ODNs的佐剂效应，实现在细胞及动物模型中对树突状细胞免疫应答的高效激活，从而有效抑制肿瘤的生长与进展。该智能响应材料系统为免疫受体（如TLR9）的可控激活提供了新策略，并为新一代疫苗佐剂和肿瘤免疫治疗的开发提供了重要技术路径。

团队发展了一种双酶响应型DNA纳米材料，可在活细胞内可控释放检测元件分子信标（MB）和治疗元件基因编辑系统（CRISPR-Cas9），实现检测导向的胰腺癌精准基因治疗，相关成果发表于Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202500566）。该研究利用DNA纳米框架同时负载含有脱嘌呤/脱嘧啶位点（AP位点）的分子信标（MB）和CRISPR-Cas9系统中的sgRNA组分。基于纳米框架的温度响应性相变特性，在低温下材料转变为溶胀态，暴露内部sgRNA以促进其与Cas9蛋白结合；在高温下材料恢复为凝聚态，稳定装载MB和CRISPR-Cas9系统。该材料被胰腺癌细胞摄取后，癌细胞中过表达的脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）特异性切割MB中的AP位点，导致携带Cy3荧光分子的DNA片段解离；与此同时，RNase H特异性切割sgRNA-DNA杂合链中的RNA部分，释放活性CRISPR-Cas9系统，实现精准的基因治疗。该DNA纳米材料在癌细胞中实现了特异性荧光成像（基于Cy3信号）和高效的基因编辑治疗，同时在正常细胞中保持低背景荧光和良好的生物相容性。在胰腺癌异种移植小鼠模型中，该系统成功实现了肿瘤的特异性成像，并展现出显著的治疗效果。

团队发展了能够在肿瘤部位特异性启动光动力单元以及核酸药物释放的智能DNA水凝胶，实现了无需激光照射的按需黑色素瘤光免疫治疗，相关成果发表于Journal of the American Chemical Society （DOI: 10.1021/jacs.5c06905）。该研究构建了一种整合寡核苷酸药物CpG ODN、PD-1核酸适配体、肿瘤靶向适配体AS1411及光敏剂的智能储能DNA水凝胶，并负载了储能长余辉纳米颗粒。该纳米颗粒可在储能后在无激发光条件下持续发光数小时至数天。当水凝胶注射至肿瘤部位后，肿瘤微环境中过表达的蛋白酶触发水凝胶分解，释放光动力模块。模块通过适配体选择性进入肿瘤细胞，细胞内谷胱甘肽（GSH）与纳米颗粒外壳反应，降解二氧化锰壳层，释放锰离子；随后纳米颗粒持续发光，激活光动力过程，产生活性氧（ROS），诱导免疫原性细胞死亡，同时释放肿瘤相关抗原和细胞因子，激活抗肿瘤免疫反应；锰离子还可催化内源性过氧化氢产生氧气，为光动力过程提供氧源。此外，PD-1适配体能够结合T细胞表面PD-1受体，阻断免疫抑制信号通路，并协同释放CpG ODN激活抗原提呈细胞和T细胞介导的肿瘤杀伤反应。在黑色素瘤小鼠模型中，该水凝胶系统显著抑制肿瘤进展，效果优于传统单一模式的光动力治疗。该研究为癌症治疗提供了一种无需外部光源、按需激活的精准治疗新方案。

团队发展了一种智能DNA纳米框架载体，实现了CRISPR-Cas9基因编辑系统与光动力治疗试剂的可控共递送，显著提升了胰腺癌治疗效果，相关成果发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202416161）。该研究利用DNA纳米框架成功实现了CRISPR-Cas9系统组分sgRNA、光敏剂Ce6和血红素hemin的G-四链体高效共负载。该载体具有温度响应性：在低温下呈溶胀态，有利于sgRNA暴露并结合Cas9蛋白；在生理温度下恢复为凝聚态，形成稳定纳米载体。该递送系统被胰腺癌细胞摄取后，由癌细胞中过表达的RNase H特异性切割sgRNA-DNA杂合链释放CRISPR-Cas9系统，通过基因编辑下调抗氧化应激调控因子Nrf2表达，削弱癌细胞清除ROS的能力；同时，载体中的hemin可催化内源性H₂O₂产生氧气，改善肿瘤缺氧微环境；在660 nm激光照射下，Ce6将氧气转化为细胞毒性单线态氧（¹O₂），大幅增强ROS生成效率。通过减少ROS清除与增强ROS生成的双重协同机制，研究实现了对胰腺导管腺癌的增强型光动力治疗。

上述系列研究成果充分展示了DNA作为“生命交互智能材料”在调控细胞功能与干预疾病进程中的独特优势，为核酸化学与生物医学的深度融合提供了创新性解决方案，并为精准医学和先进治疗策略的发展奠定了坚实基础。

来源：复旦大学化学系